[論文レビュー] Defect-engineering hexagonal boron nitride using low-energy Ar+ irradiation

Manuel Längle, Barbara Maria Mayer+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2024

Diamond and Carbon-based Materials ResearchMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、低エネルギー Ar⁺ 照射がモノレイヤーの六方晶窒化ホウ素（hBN）における選択的欠陥工学を可能にすることを示している。実験結果では、ボロン単一欠陥（55％）が窒素単一欠陥（12％）よりも顕著に形成されることが判明し、これは従来の解析的分子動力学予測とは対照的である。本手法は低照射線量で高い欠陥選択性を達成でき、量子発光体の応用に向けた特定の点欠陥の制御的生成を可能にする。

ABSTRACT

Monolayer hexagonal boron nitride (hBN) has recently become the focus of intense research as a material to host quantum emitters. Although it is well known that such emission is associated with point defects, so far no conclusive correlation between the spectra and specific defects has been demonstrated. Here, we prepare atomically clean suspended hBN samples and subject them to low-energy ion irradiation. The samples are characterized before and after irradiation via automated scanning transmission electron microscopy imaging to assess the defect concentrations and distributions. We find an intrinsic defect concentration of ca. 0.03/nm2 (with ca. 55% boron and 8% nitrogen single vacancies, 20% double vacancies and 16% more complex vacancy structures). To be able to differentiate between these and irradiation-induced defects, we create a significantly higher (but still moderate) concentration of defects with the ions (0.30/nm2), and now find ca. 55% boron and 12% nitrogen single vacancies, 14% double vacancies, and 18% more complex vacancy structures. The results demonstrate that already the simplest irradiation provides selectivity for the defect types, and open the way for future experiments to explore changing the selectivity by modifying the irradiation parameters.

研究の動機と目的

• 低エネルギーイオン照射下における hBN における欠陥形成に関する理論的予測を実験的に検証すること。
• Ar⁺ イオンがモノレイヤー hBN における特定の点欠陥（例：ボロン vs. 窒素欠陥）を形成する際の選択性を特定すること。
• 高分解能自動 STEM 影像を用いて、内在的欠陥と照射誘発欠陥を区別すること。
• 低エネルギーイオン照射を2次元材料における標的欠陥工学の手法として実用可能かどうかを評価すること。
• 欠陥形成メカニズムに関するシミュレーション予測と実験的観察の乖離を解明すること。

提案手法

• ポリマーを用いないトランスファー法を用いて、ハイブリッド Au/SiN TEM グリッド上に原子的に清浄で浮遊したモノレイヤー hBN サンプルを調製すること。
• 60 kV で走行する自動走査型透過電子顕微鏡（STEM）をアニュラーダークフィールド（ADF）モードで使用し、高分解能での欠陥像と定量的評価を実施すること。
• 欠陥誘発のため、制御された線量で低エネルギー Ar⁺ イオン（90–230 eV）を hBN サンプルに照射し、比較用に完全な領域を保持すること。
• 自動欠陥検出および分類アルゴリズムを用いて、内在的および照射誘発欠陥の濃度と種別を定量すること。
• 照射前後における欠陥分布の比較を通じて、照射誘発寄与を分離すること。
• 密度汎関数理論（DFT）に基づく分子動力学を用いて、欠損しきい値の評価と実験的結果の妥当性を検証すること。

Figure 1: Overview of the sample. (a) Light microscopy image of the sample after transfer. The purple/blue area corresponds to the Si grid, the light blue squares to Quantifoil. The yellow square is the perforated SiN window where the suspended sample can be found when holes in SiN and the Quantifoi

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 準備済みで清浄化されたモノレイヤー hBN における内在的欠陥濃度と分布はどの程度か？
• RQ2 低エネルギー Ar⁺ 照射は hBN における特定の点欠陥の形成にどのように影響するか？
• RQ3 実験的欠陥分布は、解析的ポテンシャル分子動力学シミュレーションからの予測と一致するか？
• RQ4 低エネルギーイオン照射下で、ボロン単一欠陥と窒素単一欠陥の相対的生成確率はどの程度か？
• RQ5 照射パラメータを調整することで、hBN における選択的欠陥工学を達成できるか？

主な発見

• 完全で清浄化された hBN サンプルにおける内在的欠陥濃度は約 0.03 nm⁻² であり、そのうちボロン単一欠陥が 55％、窒素単一欠陥が 8％ を占める。
• 照射線量が約 0.30 nm⁻² に達した後、欠陥分布はボロン単一欠陥 55.6％、窒素単一欠陥 11.5％、二重欠陥 14.4％、複合欠陥構造 18％ にシフトする。
• 実験的欠陥分布はボロン欠陥への強い傾向を示しており、これは従来の解析的分子動力学シミュレーションがボロンと窒素欠陥の生成確率が同等か、あるいは窒素欠陥のほうが多くなると予測していたことと矛盾する。
• 観測された欠陥濃度は、予想されるインパクトイオン数の約3倍に達しており、欠陥生成確率がシミュレーションで予測された値よりもはるかに1に近い可能性を示唆している。
• この乖離は、特に絶縁性2次元材料（例：hBN）における帯電効果や非弾性散乱の無視が原因であるとされる。
• DFTに基づく分子動力学は、ボロンの欠損しきい値エネルギーが窒素（23.06 eV）よりも低い（19.36 eV）ことを確認しており、実験的結果がボロン欠陥形成の優位性を支持している。

Figure 2: Plasma setup, beam profile measurement and defect concentration. (b) Schematic presentation of the plasma irradiation setup and the Faraday up. (d) Measured ion current $I$ and the calculated beam profile ( $\mathrm{d}I/\mathrm{d}V$ ) as a function of the bias voltage ( $V$ ). The purple p